Digital analog-SiPMs for sub-100 ps TOF-PET applications

• Antragsteller: Dr. Stefan Gundacker; Professor Dr.-Ing. Volkmar Schulz
• Fachliche Zuordnung: Biomedizinische Systemtechnik ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 500540345

Funktionelle Bildgebungsverfahren, insbesondere für die Diagnose bösartiger und neurologischer Erkrankungen, sind in einer alternden Gesellschaft ein wichtiges Instrument. Das bekannteste ist die Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Trotz beeindruckender Fortschritte in der Mikroelektronik wartet die PET noch immer auf einen Durchbruch in Bezug auf Kostenreduzierung und Leistungssteigerung. Die Einbeziehung ultrapräziser Flugzeitinformationen (TOF) ist der Schlüssel zur Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) von PET-Bildern, wodurch die Strahlenbelastung und die Scan-Dauer bei einer gegebenen Koinzidenzzeitauflösung (CTR) von besser als 100 ps (FWHM) um eine Größenordnung reduziert werden. Modernste TOF-PET-Systeme sind mit CTRs von 213 ps (FWHM) weit von diesem Maßstab entfernt. Eine Vergrößerung der Gantry und damit eine höhere Empfindlichkeit des Systems wird nicht nur die Früherkennung pathologischer Prozesse bei älteren Menschen ermöglichen, sondern auch pränatale Untersuchungen und die Untersuchung von Kindern. Dies erfordert jedoch eine strikte Kostenreduzierung bei den verwendeten Detektorblöcken. Die Grenzen der CTR sind durch den Szintillator, die Photodetektoren und die Ausleseelektronik gegeben. Die Geschwindigkeit der Szintillation ist grundsätzlich durch physikalische Prozesse begrenzt. Besonders vielversprechend ist die Nutzung der prompten Photonenemission, z. B. die Cherenkov-Strahlung in BGO-Kristallen, die billig herzustellen sind. Die Cherenkov-Detektion ist jedoch aufgrund der begrenzten Photonenausbeute eine Herausforderung, die wiederum eine sehr hohe Photonendetektionseffizienz (PDE), eine niedrige Dunkelzählrate (DCR) und extrem schnelle und innovative elektronische Ausleseverfahren erfordert. Aktuelle analoge Silizium-Photomultiplier (aSiPMs) erfüllen nur die ersten beiden Aspekte. In diesem Projekt schlagen wir einen neuen Sensortyp vor, den DIGILOG-SiPM, der eine hohe PDE, eine niedrige DCR und eine außergewöhnliche Einzelphotonen-Zeitauflösung (SPTR) kombiniert, um eine noch nie dagewesene CTR auf PET-Systemebene zu erreichen. Wir werden zunächst die modernsten analogen SiPMs in kleinere Cluster, die so genannten µSiPMs, segmentieren. Durch die Segmentierung wird die elektronische Auslesung einen vernachlässigbaren Rauschbeitrag mit einer überschaubaren Granularität auf Systemebene haben. Die µSiPMs werden einzeln ausgelöst und zeitlich ausgerichtet, um eine Gesamt-SPTR von 20 ps (FWHM) zu erreichen. Auf jedes µSiPM werden mehrere Schwellenwerte angewandt, um eine Korrektur der Photonendichte während des Zeitablaufs und eine Photonenzählung auf µSiPM-Ebene zu ermöglichen. Die Elektronik wird in einer CMOS-Schicht und die µSiPMs in der obersten Lage in einer 3D-Stacking-Konfiguration untergebracht sein. Die untere Schicht beherbergt auch eine Datenverarbeitungsstruktur, die mit herkömmlichen SiPMs rückwärtskompatibel ist und vollständig auf viel größere Module skaliert werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Kooperationspartner: Privatdozent Dr. Claudio Bruschini; Professor Dr. Edoardo Charbon